ITTV20080150A1 - Carica batterie portatile basato su celle a combustibile a direct fuel cell. - Google Patents

Description

Avente per titolo: Carica batterie portatile basato su celle a combustibile a Direct Fuel Celi -

Introduzione

I recenti progressi delle tecnologia nel campo delPelettronica hanno contribuito a miniaturizzare i dispositivi tecnologici usati quotidianamente: telefoni, computer, dispositivi audio-video e dispositivi di informazione, aumentando sempre più la loro diffusione in forma di sistemi elettronici portatili.

Qualsiasi dispositivo elettronico portatile à ̈ alimentato da una batteria secondaria. La diffusione della tecnologia portatile e il suo sviluppo sono strettamente legate alla comparsa di nuove tipologie di batterie secondarie, da quelle al piombo al Ni/Cd, dalle Ni/H fino alle batterie agli ioni di litio. La ricerca in questo settore spinge verso sistemi sempre più compatti, leggeri e ad alta densità energetica. Per ogni famiglia di batterie secondarie si sviluppano materiali per accrescere le densità energetiche e migliorare la struttura delle batterie per raggiungere maggiori capacità e incrementare la durata della batteria per ogni carica.

Tuttavia, le batterie secondarie hanno pur sempre una durata limitata e strettamente legata al grado di utilizzazione dell’ apparecchiatura portatile. Dopo un periodo di utilizzazione e di consumo di energia la ricarica della batteria à ̈ indispensabile, e ciò richiede la necessità della rete elettrica a cui connettere il caricabatterie e l’attesa del tempo di ricarica della batteria prima di poter riutilizzare nuovamente il dispositivo senza fili.

La presente invenzione riguarda un caricabatterie portatile basato su celle a combustibile a metanolo in grado di funzionare sempre, semplicemente alimentando la cella con combustibile liquido.

Rispetto ai normali caricabatterie in commercio permette di ricaricare la batteria di un qualsiasi dispositivo portatile senza la necessità di connettersi alla rete elettrica, e perciò ricaricare la batteria del dispositivo portatile sempre e ovunque ci si trovi, allungando in così la durata della batteria.

Inoltre in confronto ai caricabatterie portatili a pannelli fotovoltaici, consente di ricaricare un dispositivo portatile anche in mancanza di luce e di notte. Il compito del dispositivo à ̈ di mantenere costantemente in carica la batteria di un qualsiasi dispositivo elettronico portatile, attraverso una lenta ricarica delle batterie nel tempo a correnti basse.

Il caricabatterie si basa sulle celle a combustibile a metanolo. Le celle a combustibile o fuel celi sono sistemi elettrochimici in grado di convertire l’energia chimica di una reazione direttamente in energia elettrica. Il cuore di questi sistemi consiste di una membrana ad elettrolita polimerico compresa tra 2 elettrodi (anodo e catodo); MEA (membrane electrodes assembly) . Le celle a combustibile funzionano quando sono alimentate all’anodo con del combustibile e al catodo con un ossidante, la reazione elettrochimica che avviene agli

produce corrente elettrica.

Il combustibile necessario alle fuel celi deve poter fornire idrogeno alla MEA, che combinandolo con l’ossigeno ridotto al catodo forma acqua generando corrente elettrica. Una volta terminato il combustibile la cella interrompe la conversione di energia, ma à ̈ sufficiente rifornire la cella con reagenti freschi e il dispositivo à ̈ in grado di lavorare nuovamente e generare energia elettrica, fino ad esaurimento dei reagenti. Le Fuel Celi grazie alle alte densità energetiche dei loro combustibili possono essere in grado di caricare o rimpiazzare molte delle batterie in uso oggi.

Riassunto

Il presente brevetto riguarda un carica batterie portatile a celle a combustibile, in particolare a celle alimentate da soluzioni acquose di metanolo DMFC (Direct Methanol Fuel Celi). Il sistema à ̈ in grado di convertire energia chimica in energia elettrica a temperatura ambiente e di cederla ad una batteria secondaria. La cella in questione funziona con combustibile liquido, alimentato direttamente all’anodo senza step preliminari di reforming (DFC Direct Fuel Celi). Il combustibile, presente nel serbatoio, giunge sui siti catalitici anodici per diffusione e reagisce con l’ossigeno dell’aria che viene adsorbito sullo strato catodico per convezione naturale. L’alimentazione dei reagenti à ̈ statica e passiva, i flussi non sono forzati né subiscono un ricircolo, non c’à ̈ perciò la necessità di utilizzare dispositivi ausiliari come pompe o ventilatori.

Per ricaricare le batterie secondarie dei dispositivi portatili più comuni' un dispositivo elettronico converte, modifica e adatta la potenza generata dalla cella in modo adeguato alle necessità dell’ utilizzatore. Il caricabatterie à ̈ in grado di funzionare fino a che vengono riforniti i reagenti (combustibile ed ossidante) agli elettrodi. Per rifornire il combustibile più facilmente, la cella può essere fornita di:

a) apposite cartucce, contenenti combustibile fresco pronto all’uso, compatibili con il sistema di ricarica del dispositivo;

b) oppure con un dispositivo che introduce reagente di continuo.

Descrizione dei disegni

Figura 1 Diagramma a blocchi del caricabatterie portatile a DFC;

Figura 2 e 3 Schemi di collegamento in serie di 4 MEAs;

Figura 4, 5, 6 e 7 Esempio DI : Configurazione A e particolari;

Figura 8, 9 e 10 Esempio D2: Configurazione B;

Figura 11 Esempio D3: Configurazione C;

Figura 12, 13, 14, 15 Esempio MEA 1 ;

Figura 16, 17, 18, 19 Esempio MEA 2;

Figura 20, 2 1 , 22, 23 Esempio MEA 3;

Figura 24, 25, 26, 27 Esempio MEA 4;

Figura 28, 29 Esempio MEA 5;

Figura 30, 31 Esempio MEA 6;

Figura 32, 33 Esempio MEA 7;

Figura 34, 35 Esempio ME A 8;

Figura 36, 37 Esempio MEA 9;

Figura 38, 39 Esempio MEA 10;

Figura 40, 41 Esempio MEA 1 1;

Figura 42, 43 Esempio MEA 12;

Figura 44, 45 Esempio MEA 13;

Figura 46 Esempio MEA 14;

Figura 47, 48, 49, 50, 51 Esempio MEA 15.

Descrizione dettagliata

Nella seguente descrizione, à ̈ fatto riferimento ai disegni allegati che illustrano uno specifico assemblaggio che può essere costruito. Questo assemblaggio à ̈ descritto in sufficiente dettaglio per permettere la realizzazione dell’invenzione, à ̈ tuttavia noto che possono essere utilizzate altre configurazioni e che variazioni strutturali, logiche ed elettriche possono essere effettuate senza però cambiare lo scopo della presente invenzione. La seguente descrizione dunque non deve essere considerata in senso limitativo, e lo scopo della presente invenzione à ̈ definito nelle rivendicazioni allegate. La figura 1 à ̈ un diagramma a blocchi che illustra il principio di funzionamento di un caricabatterie portatile a metanolo indicato genericamente con 100. In questa particolare configurazione il caricabatterie 100 à ̈ contenuto in una struttura “case†105 che potrà essere di misura e materiale variabile, conveniente e di dimensioni portatili, e sarà dotato<*>di: sistema per il rifornimento del combustibile, fori per la circolazione dell’aria al lato catodico e cavi per connessioni elettriche in uscita. Il serbatoio 102 si trova direttamente a contatto con l’anodo e permette al combustibile, in questo caso il metanolo, di diffondere all’elettrodo anodico dove reagisce. L’approvvigionamento di metanolo all’anodo può avvenire per diffusione del metanolo attraverso un apposito materiale (un gel o un setto) interposto tra il serbatoio e l’anodo in grado di assorbire la soluzione acquosa di metanolo e di rilasciarla nel tempo. E’ possibile utilizzare metanolo in tutte le concentrazioni. Per il miglior funzionamento della cella esiste una concentrazione ottimale di combustibile. Per facilitare la ricarica del dispositivo all’ utilizzatore finale, verranno fornite apposite cartucce di rifornimento di combustibile 104 compatibili con il sistema di ricarica presente del dispositivo. In alternativa verrà sviluppato un dispositivo compatto 104’ che a partire dai reagenti puri (H20 e CH3OH) preparerà in continuo la soluzione voluta, da fornire in continuo all’anodo. Il sistema à ̈ progettato per funzionare con combustibile liquido, in particolare soluzioni acquose di metanolo. Il combustibile liquido rispetto<'>a quello gassoso risulta essere più efficiente per la maggiore densità energetica in volume, ed essendo più facilmente trasportabile, permette un design di tutto il sistema più compatto e perciò la realizzazione di un caricabatterie portatile. Altri combustibili tuttavia possono essere alimentati per far funzionare la cella, come ad esempio: idrogeno (gas), etanolo, acido formico, 2-propanolo, idrazina, dimetiletere, glicole etilenico, dimetossimetano, trimetossimetano, tetrametilortocarbonato, zuccheri (vedi Tabella 1). Il dispositivo in generale à ̈ in grado di funzionare con qualsiasi sostanza, che a contatto con gli elettrocatalizzatori (a base di Platino al catodo e Platino Rutenio all’ anodo) si ossidi all’anodo e si riduca al catodo. In particolare la cella a combustibile usata nel caricabatterie ppartiene alla famiglia delle PEMFC “Polymer Electrolyte^f3⁄4 Membrane Fuel Celi†. La MEA (Membrane Electrode Assembly) 101,/' à ̈ il cuore del dispositivo in questione ed à ̈ composta da una membrana ad elettrolita polimerico compresa tra due elettrodi. Gli elettrodi sono composti da uno strato di elettrocatalizzatore e da uno strato poroso per la diffusione dei gas (Gas Diffusion Layer). L’elettrolita polimerico come detto à ̈ una membrana polimerica a scambio ionico che à ̈ un’eccellente conduttore protonico o anionico. In particolare i catalizzatori usati attualmente sono a base di Platino al catodo e lega Platino Rutenio all’anodo. Gli elettrocatalizzatori usati possono essere sia allo stato metallico (catalizzatori black) con un tenore di metallo nobile del 100%, sia supportati su matrice grafìtica e aventi diversa percentuale di metallo nobile. Tuttavia, essendo in fase di studio altri elettrocatalizzatori non si esclude la possibilità di poter utilizzare materiali alternativi in grado di poter ossidare il combustibile all’anodo e di ridurre l’ossidante al catodo. I protoni FT passano attraverso la membrana, mentre gli elettroni passano attraverso un circuito esterno. Il flusso di e- dal polo negativo al polo positivo genera una corrente elettrica.

Per ottenere l’obiettivo prefissato ovvero la ricarica di batterie secondarie di dispositivi portatili la configurazione del sistema può variare. Ad esempio à ̈ possibile assemblare più unità in parallelo che equivale ad aumentare l’area della MEA, generando correnti elevate mantenendo il potenziale caratteristico delle celle a combustibile. Una cella combustibile lavora a potenziali bassi, perciò à ̈ indispensabile assemblare più MEA in serie per aumentare il potenziale totale de sistema.

In un caso particolare si sono collegate in serie 4 MEA (fig. 2 e 3) che in condizioni di circuito aperto raggiungono una tensione di 2,4 - 2,8 V. Questa configurazione à ̈ stata scelta appositamente affinché in condizioni di esercizio il sistema possa lavorare in condizioni ottimali (vicino al punto massimo di potenza) con una tensione globale di circa 1 V (0.25 V per singola cella).

(Con riferimento agli esempi di fig. 36 e 37: membrana 4cm<2>, metodo CCS, catalizzatore Black, Loading 6mg Pt/cm<2>, metanolo 4M, a 0.25 V, corrente 80 mA, potenza 20 mW. 4 membrane in serie equivalgono a 80 mA a IV, 80 mW in 16 cm<2>, ovvero circa 5 mW/cm<2>e 5 mA/cm<2>).

Sulle superfici di entrambi gli elettrodi sono posti dei particolari collettori di corrente in grado di lasciar permeare i reagenti fin sugli elettrodi. Il materiale di questi collettori deve essere un ottimo conduttore elettrico (deve avere la minor resistenza possibile) con un’elevata resistenza all’ossidazione (viste le condizioni critiche di lavoro del sistema). Il collettore di corrente ha lo scopo di collegare la MEA con il dispositivo elettronico che regolerà la potenza generata dal sistema per gli scopi prefissati.

Il dispositivo elettronico 103 Ã ̈ basato principalmente su un convertitore DC-DC stabilizzato che adatta i differenti livelli di carico. Al variare del carico in uscita mantiene il funzionamento delle celle a combustibile al punto di lavoro con maggiore efficienza.

Uno dei possibili dispositivi elettronici utilizzati riguarda il tipcf commerciale: TPS6120x “low input voltage synchronous boost converter with 1.3-A switches†della Texas Instruments. Tale dispositivo à ̈ stato ideato appositamente per quelle apparecchiature alimentate da celle solari o celle a combustibile in cui à ̈ essenziale lavorare con i bassi potenziali (almeno 0.3 V), e offre una soluzione per migliorare T efficienza di funzionamento di questi dispositivi. Tale dispositivo à ̈ interposto con un ulteriore sistema che permette di mantenere stabili le condizioni di lavoro della cella.

Il boost converter à ̈ in grado di alzare la tensione della cella alla tensione richiesta per alimentare la batteria, a partire da un tensione di partenza in ingresso di circa 1 V consentendo al sistema di lavorare mantenendo alta l’efficienza di conversione. A completamento della parte elettronica à ̈ posto un ulteriore trasformatore per modulare appositamente la tensione e la corrente al fine di ricaricare le batterie secondarie dei più comuni apparecchi elettronici portatili.

Esempio di Dispositivo (D)

Breve descrizione di Esempio DI: Ipotetica Configurazione A

Una possibile configurazione à ̈ rappresentata nelle fìg 4 e 5, a partire dalla configurazione con 4 membrane in serie. La figura 4 mostra il lato catodico del dispositivo in cui sono presenti 4 gruppi di fessure in corrispondenza degli anodi delle 4 MEA (401), l’alloggiamento per la componente elettronica (402) e un “jack†d’uscita per il collegamento al dispositivo elettronico (403).

In figura 5 à ̈ rappresentato il lato anodico con i 4 serbatoi (501) e le rispettive canalette per il rifornimento 1 serbatoio. Alla sinistra dei serbatoi c’à ̈ lo spazio (502) necessario ad accogliere il dispositiva elettronico del caricabatterie.

La fig. 6 à ̈ un’ulteriore rappresentazione del lato catodico con rispettiva sezione. Lo spessore à ̈ il minore possibile per favorire la convezione deH’aria e facilitare l’evaporazione dell’acqua prodotta, ma allo stesso tempo in grado di dare robustezza meccanica al sistema.

La figura 7 rappresenta la sezione anodica del sistema. I 4 serbatoi, hanno gli angoli smussati e un perno centrale per assicurare che il collettore di corrente sia il più possibile aderente all’elettrodo riducendo la resistenza di contatto. Lo spessore del lato catodico sarà determinato in base alla capacità dei serbatoi. Le canalette di alimentazione del metanolo fungono anche come sfogo per la C02generata dalla reazione.

Esempio D2: Configurazione B

Un’ulteriore configurazione si può ottenere creando un unico serbatoio comune per tutte e 4 le MEA collegate in serie, come rappresentato nella figura 8.

Questa configurazione à ̈ composta da 3 sezioni, ovvero 2 anodiche identiche fìg. 9, e una catodica contenente il serbatoio comune fig.10.

La parte contenente il serbatoio comune (1001) e collocata tra le 2 sezioni catodiche comprende un apposito comparto per il posizionamento del dispositivo elettronico (1002). AlPinterno del serbatoio à ̈ evidente un apposita barra di supporto con appositi pioli per assicurare il contatto tra i collettori di corrente e gli elettrodi.

Esempio D3: Configurazione C

Un’ulteriore configurazione si può ottenere con 8 MEA in serie disposte a raggiera come rappresentato in figura 11. Tale configurazione prevede un unico serbatoio comune e centrale e prevede un alimentazione per capillarità.

Breve descrizione di preparazione di MEA e loro prestazioni:

Esempi di Membrane Electrode Assemblies

Il cuore della cella a combustibile à ̈ la MEA (membrane electrode assembly), ovvero il sistema formato dall'insieme della membrana e delle configurazioni elettrodiche che sono preparate.

1. Preparazione come descritto di seguito di MEA mediante metodo CCM (catalyst coated membrane)

Con questo metodo il catalizzatore viene depositato sulla membrana tramite, decalcomania. Il sistema a decalcomania prevede la stesura dell’inchiostro di catalizzatore su un supporto, ad esempio formelle di Teflon rinforzato, formando così un elettrodo che sarà trasferito sulla membrana elettrolita tramite hot pressing. Una volta rimosse le formelle di supporto si ottiene la MEA. Con un’ulteriore fase di pressatura a caldo si applicano alla MEA i Gas Diffusion Layer, ottenendo così il sistema completo.

2. Preparazione di MEA mediante metodo CCS (catalyst

substrate)

Con questo metodo l’inchiostro contenente lelettrocatalizzatore viene depositato su Gas Diffusion Layer. Gli elettrodi ottenuti sono applicati alla membrana tramite hot pressing, ottenendo il sistema completo con una sola fase di pressatura a caldo.

Per poter usare questo metodo di preparazione della MEA à ̈ necessario usare un particolare tipo di GDL dotato di strato microporoso. Lo stato microporoso à ̈ infatti in grado di assorbire l’inchiostro catalitico formando l’elettrodo direttamente sulla superficie che à ̈ a contatto con la membrana.

3. Preparazione di MEA mediante metodo CCS via Casting

Questa metodologia permette di depositare l’inchiostro catalitico su Gas Diffusion Layer via casting. L’inchiostro contenente Lelettrocatalizzatore viene versato su di uno stampo della dimensione degli elettrodi poggiato sopra al gas diffusion layer e posto all’interno di una stufa ventilata. Il tutto viene lasciato ad evaporare per un tempo variabile a seconda della quantità di inchiostro e di solvente da eliminare.

Esempio MEA 1 preparata mediante metodo CCM (catalyst coated membrane)

La MEA Ã ̈ stata preparata col metodo descritto in precedenza e usando le geometrie illustrate di seguito:

a) Elettrocatalizzatore al 40% di metallo prezioso,

b) Area Mea 4 cm<2>;

c) Carico al catodo = 1 mg/cm<2>,

2 2 o

d) Carico all’anodo variabile: 0.5 mg/cm , 1 mg/cm , 2 mg/cm".

I test si sono effettuati con combustibile a concentrazione di metanolo 1 e 4 molare. Nelle figure 12 e 13 sono rappresentate rispettivamente le curve di polarizzazione e potenza ottenute con metanolo 1 molare, mentre nelle figure 14 e 15 le curve di polarizzazione e potenza ottenute con metanolo 4 molare.

Esempio MEA 2 preparata mediante metodo CCM (catalyst coated membrane)

La MEA Ã ̈ stata preparata con le seguenti caratteristiche:

a) Elettrocatalizzatori al 60% di metallo prezioso

b) Area Mea 4 cm<2>;

c) Carico simmetrico Anodo/Catodo di lmg Pt/cm<2>e 2 mg/cm<2>.

Nelle figure 16 e 17 sono rappresentate rispettivamente le curve di polarizzazione e potenza ottenute con metanolo 1 molare, mentre nelle figure 18 e 19 le curve di polarizzazione e potenza ottenute con metanolo 4 molare.

Esempio MEA 3 preparata mediante metodo CCM (catalyst coated membrane)

Mea preparate con le seguenti caratteristiche:

a) elettrocatalizzatori al 20% di metallo prezioso;

b) Area Mea 4 cm<2>;

c) Carico simmetrico anodo/catodo 1 e 2 mg Pt/cm .

Nelle figure 20 e 21 sono rappresentate rispettivamente le curve polarizzazione e potenza ottenute con metanolo 1 molare, mentre nelle figure 22 e 23 le curve di polarizzazione e potenza ottenute con metanolo 4 molare.

Esempio MEA 4 preparata mediante metodo CCM (catalyst coated membrane)

Le seguenti MEA sono state preparate con le stesse caratteristiche di base:

a) Elettrocatalizzatori Black

b) Area Mea 4 cm<2>;

c) Carico simmetrico Anodo/Catodo 6 mg Pt/cm ;

Si à ̈ variata la quantità di Nafìon presente nell’inchiostro.

Si sono effettuati test variando la concentrazione di metanolo presente nel combustibile. Nelle figure 24 e 25 sono rappresentate rispettivamente le curve di polarizzazione e potenza ottenute con metanolo 1 molare, mentre nelle figure 26 e 27 le curve di polarizzazione e potenza ottenute con metanolo 4 molare.

Esempio MEA 5 preparata mediante metodo CCM (catalyst coated membrane)

le caratteristiche con cui si à ̈ preparata la MEA di questo esempio sono:

a) Catalizzatori Black;

b) Area Mea 4 cm<2>;

c) Carico simmetrico Anodo/Catodo 6 mg Pt/cm ;

d) Assenza di Nafion nell’inchiostro di elettrocatalizzatore.

I test sono effettuati con combustibile a 2 concentrazioni di metanolo 1 e 4 molare. Nella figura 28 sono rappresentate le curve di polarizzazione e nella figura 29 le curve di potenza alle varie molarità.

Esempio MEA 6 preparata mediante metodo CCM (catalyst coated membrane)

La caratteristiche della seguente MEA, sono:

a) Catalizzatori Black;

b) membrana di Nailon ibrida

c) Area Mea 4 cm<2>;

d) Carico simmetrico Anodo/Catodo 6 mg Pt/cm<2>;

I test si sono effettuati con combustibile a concentrazione di metanolo 1 e 4 molare. Nella figura 30 sono rappresentate le curve di polarizzazione e nella figura 3 1 le curve di potenza alle varie molarità.

Esempio MEA 7 preparata mediante metodo CCM (catalyst coated membrane)

Le caratteristiche della MEA sono:

a)Catalizzatori Black,

b)Carico simmetrico Anodo/Catodo 6 mg Pt/cm<2>

C) Area Mea 20 cm<2>;

I test si sono effettuati con combustibile a concentrazione di metanolo 1 e 4 molare. Nella figura 32 sono rappresentate le curve di polarizzazione e nella figura 33 le curve di potenza alle varie molarità.

Esempio MEA 8 preparata mediante metodo CCS (catalisi coated substrato)

La MEA di questo esempio à ̈ la prima preparata con il metodo CCS descritto in precedenza. Le caratteristiche principali sono:

a) Catalizzatori al 60% di metallo prezioso,

b) Carico 1 mg Pt/cm<2>,

c) Area Mea 4 cm<2>;

I test si sono effettuati con combustibile a concentrazione di metanolo 1 e 4 molare. Nella figura 34 sono rappresentate le curve di polarizzazione e nella figura 35 le curve di potenza alle varie molarità.

Esempio MEA 9 preparata mediante metodo CCS (catalisi coated substrato)

Le caratteristiche principali di questa MEA sono:

a) Catalizzatori black;

b) Carico 6 mg Pt/cm ,

c) Area Mea 4 cm<2>;

I test si sono effettuati con combustibile a concentrazione di metanolo 1 e 4 molare. Nella figura 36 sono rappresentate le curve di polarizzazione e nella figura 37 le curve di potenza alle varie molarità.

Esempio MEA 10 preparata mediante metodo CCS (catalisi coated substrate)

Utilizzando la membrana di Nafion ibrida, già usata in precedenza, si à ̈ preparata una nuova MEA con il metodo CCS avente come caratteristiche principali:

a) Membrana di Nafion ibrida;

b) Catalizzatori black;

c) Carico 6 mg Pt/cm<2>,

d) Area Mea 4 cm<2>;

I test si sono effettuati con combustibile a concentrazione di metanolo 4 molare. In figura 38 e 39 sono rappresentate rispettivamente le curve di polarizzazione e di potenza ottenute.

Esempio MEA 11 preparata mediante metodo CCS (catalisi coated substrate)

II metodo CCS à ̈ stato utilizzato anche per produrre una MEA più grande con le seguenti caratteristiche principali:

a) Catalizzatori black;

b) Carico 6 mg Pt/cm ,

c) Area Mea 20 cm<2>;

I test si sono effettuati con combustibile a concentrazione di metanolo 4 molare. In figura 40 e 41 sono rappresentate rispettivamente le curve di polarizzazione e di potenza ottenute.

Esempio MEA 12 preparata via Casting

Con il metodo via casting si à ̈ preparata la seguente MEA:

a) Catalizzatori black;

b) Carico 3 mg Pt/cm<2>,

c) Area Mea 4 cm<2>;

I test si sono effettuati eon combustibile a concentrazione di metanolo 4 molare. In figura 42 e 43 sono rappresentate rispettivamente le curve di polarizzazione e di potenza ottenute.

Esempio MEA 13 Effetto del collegamento in serie e parallelo

Nei grafici di figura 44 e 45 sono rappresentati gli effetti del collegamento in serie e parallelo tra due celle qualsiasi e indicate con I e 2. Dai grafici si evince che il collegamento in parallelo equivale ad aumentare l’area della ME A ovvero incrementare la corrente prodotta. Nel caso in questione poiché la scarica delle serie avviene a corrente costante di 50 mA ciò si traduce in un incremento della durata del tempo di scarica.

II collegamento in serie a parità di corrente di scarica, invece, causa rinnalzamento della tensione del sistema.

Esempio ME A 14: Durata del tempo di scarica in relazione alla corrente prodotta

Il grafico rappresentato in figura 46 illustra Γ andamento nel tempo della tensione di una MEA di riferimento durante una scarica galvanostatica. I test sono stati effettuati con combustibile 4 molare.

Esempio MEA 15: collegamento in serie di 4 celle più dispositivo elettronico.

Per la realizzazione di questo test si sono preparate 4 celle identiche aventi le stesse caratteristiche:

a)metodo di preparazione CCS

b)catalizzatori Black

c)Carico simmetrico Anodo/Catodo 6 mg/cm2.

Le 4 celle sono state collegate in serie e poi collegate in parallelo col -dispositivo elettronico TPS6120x, come rappresentato in figura 47.

Nei test effettuati il dispositivo TPS6120x alza la tensione Vout del sistema fino a 3,3 V e la mantiene costante nel tempo.

Nel grafico di figura 48, sono riportate le curve di tensione in ingresso e uscita del dispositivo in relazione al tempo e alla corrente di uscita. Nei grafici 49 e 50 sono riportati gli andamenti nel tempo della tensione e corrente in uscita e in ingresso. Nella figura 51 à ̈ rappresentato l’andamento nel tempo delle tensioni (in ingresso e uscita), durante una scarica a corrente costante.

Claims (1)

1. Rivendicazioni 1 ) Dispositivo portatile ad alcoli per caricare batterie basato su celle a combustibile (Direct Fuel Celi) ed un convertitore DC-DC (Nehvork free battery recharger far portable electronics based on fuel cells). Il dispositivo à ̈ in grado di convertire energia chimica in energia elettrica a temperatura ambiente e di cederla ad una batteria i secondaria. La cella in questione funziona con combustibile liquido, alimentato direttamente all’ anodo senza step preliminari di reforming (DFC Direct Fuel Celi). Il combustibile, presente nel serbatoio, giunge sui siti catalitici anodici per diffusione e o altro tipo di meccanismo e reagisce con l’ossigeno dell’aria che viene adsorbito sullo strato catodico. L’alimentazione dei reagenti può essere statica e passiva, o attiva. Per ricaricare le batterie secondarie dei dispositivi portatili più comuni un dispositivo elettronico converte, modifica e adatta la potenza generata dalla cella in modo adeguato alle necessità dell’utilizzatore. Il caricabatterie à ̈ in grado di funzionare fino a che vengono riforniti i reagenti (combustibile ed ossidante) agli elettrodi. Per rifornire il combustibile più facilmente, la cella può essere fornita di: • apposite cartucce, contenenti combustibile fresco pronto all’uso, compatibili con il sistema di ricarica del dispositivo; • oppure con un dispositivo che introduce reagente di continuo 2) Un dispositivo come al punto 1 che può essere collegato alla batteria principale del dispositivo ricevente in modo da sostenerne la carica anche durante il periodo di utilizzo procedendo al mantenimento di carica a bassa potenza. 3) Un dispositivo come al punto 1 ma che funziona anche con il dispositivo ricevente spento , 4) Un dispositivo come al punto 1 che può essere collegato a tutti i tipi di batteria ricaricabile e/o alimentatori collegati a batterie ricaricabili ovvero può fornire energia direttamente aH’utilizzatore. 5) Un dispositivo come al punto 1 che può essere trasportabile 6) Un dispositivo come al punto 1 che può essere collegato tramite cavo adattatore secondo le caratteristiche deirutilizzatore 7) Un dispositivo come al punto 1 dove può essere utilizzata una o più celle a combustibile diretto 8) Un dispositivo come al punto 2 dove possono essere collegate opportunamente più celle in serie o parallelo o con una combinazione di serie o parallelo. 9) Un dispositivo come al punto 1 con un convertitore che gestisce il comportamento delle singole celle ed il loro punto di lavoro convertendo l’energia disponibile ad una tensione e corrente conveniente per la ricarica della batteria. 10) Un dispositivo come al punto 1 nel quale i combustibili forniti siano in grado di ossidarsi all’anodo e ridursi al catodo al contatto con gli elettrocatalizzatori. 11) Un dispositivo come al punto 1 nel quale i combustibili possono essere metanolo ovvero tutti i reagenti indicati qui di seguito: idrogeno, metanolo, etanolo, acido formico, propanolo, idrazina, etere di metilico, glicole etilenico, dimetossimetano, trimetossimetano, trimetilortocarbonato, zuccheri ed altro. 12) Un dispositivo come al punto 1 nel quale il combustibile, di cui al punto 11, può essere portato agli elettrodi in forma liquida o gassosa o mediante soluzione gelatinosa o qualsiasi altro material adsorbente in grado di rilasciare i reagenti in modo graduale.j13) Un dispositivo come al punto 1 nel quale i combustibili di cui ? punto 1 1 possono essere presenti in forma pura od in forma diluita. 14) Il dispositivo come indicato al punto 1 con un serbatoio della soluzione acquosa. 15) Il dispositivo come indicato al punto 1 con un serbatoio del combustibile. 16) Il dispositivo come indicato al punto 1 con un mixer per rendere disponibili agli elettrodi le quantità ottimali di combustibile opportunamente diluito. 17) I combustibili possono essere inseriti nel sistema già premiscelati. 18) Una cartuccia contenente il combustibile già miscelato con l’acqua. 19) Un dispositivo come al punto 1 dove il dispositivo di immagazzinamento del combustibile può essere fìsso 20) Un dispositivo come al punto 1 dove il dispositivo di immagazzinamento del combustibile può essere amovibile mediante cartuccia.